裂纹钢板（精选4篇）
裂纹钢板 篇1
0前言
中厚板钢板在轧制过程中会出现了各种各样的表面缺陷, 其中表面裂纹是表面缺陷中最出现多的一种, 按形态主要分为有纵裂纹、横裂纹、网裂、星裂。近期济钢在4300mm轧机调试过程中出现了一种新的裂纹形态———边部黑线裂纹, 造成钢板的改判率增加、成材率降低。为找出产生边部黑线裂纹的原因, 我厂组织攻关, 采取了大量对比试验、数据统计、电镜扫描等方式进行分析研究, 通过采取有效措施, 有效控制了该类缺陷。
1 裂纹成因分析
1.1 裂纹形态
边部黑线裂纹形态如图1所示, 钢板的边部黑线裂纹, 通常分布在据钢板两边部, 沿轧制方向, 平行于钢板边部, 缺陷体较尖锐、细小。距边部20-40mm左右。
图1钢板边部黑线裂纹
1.2金相分析
割取裂纹对应试样, 抛光后用光学显微镜观察其裂纹形貌如图2所示, 裂纹从边部开裂, 向纵、横向中心延伸, 与钢板表面呈一定角度夹角, 裂纹长度可达9mm以上。
用4%硝酸酒精腐蚀, 观察裂纹金相组织如图3所示, 在裂纹两侧晶粒完整, 无明显晶粒长大、变形, 无明显氧化原点及严重脱碳层。
1.3 电镜扫描分析
裂纹的尖端电镜扫描照片及对应能谱分析如图4所示。裂纹尖端形成了微孔状富Si、Mn区, 电镜扫描未见保护渣成分。
1.4 钢板规格对应轧制试验
轧制后钢板显示, 钢板轧制厚度不同, 黑线与边部的距离也存在差异, 由300mm厚铸坯轧制成不同规格钢板时, 边部黑线裂纹对应位置如表2所示。
用不同厚度的铸坯, 来轧制相同厚度的钢板, 其边部黑线裂纹对应位置也有差别, 现场缺陷表明, 铸坯厚度越小, 边部黑线缺陷离边部越远, 铸坯厚度越大, 缺陷距离也边部越近。
在一定时期内, 济钢3台大断面板坯连铸机生产的不同厚度铸坯供4300轧机轧制, 因边部黑线而造成的改判也不同, 如表3所示:
2边部黑线裂纹形成原因探讨
铸坯在轧制的过程中, 其变形形状和轧制压下量有关, 当压下量足够大时, 轧制力直接渗透到铸坯芯部, 因芯部温度较高, 最容易发生变形, 铸坯中间变形量大于上下表变形量, 窄边中间向外突出, 称为单鼓变形, 如图5所示。
当轧制压下量偏小时, 轧制力不能有效渗透到铸坯芯部, 造成铸坯上下表变形量大于铸坯中间, 铸坯上下表相对于中间向外鼓, 称为双鼓变形如图6所示。
铸坯边角部金属属于二维传热, 在轧制过程中始终处于低温状态, 韧塑性差。发生单鼓变形时, 边角部金属被压平到钢板上表面, 形成有别于附近的组织形态, 导致轧件边部沿长度方向产生“黑线裂纹”缺陷[1]。
合理地优化轧机压下量, 可减轻或消除边部黑线裂纹缺陷。
3 结论
1) 边部黑线裂纹主要和轧机压下量过大有关, 铸坯发生单鼓变形, 边角部金属被压平到钢板上下表面, 形成边部黑线裂纹。
2) 合理优化轧机压下量可减轻或消除钢板边部黑线裂纹。
摘要：本文进行了对钢板边部黑线裂纹的研究, 采用现了场试验、数据统计、电镜扫描等方法, 认为钢板在轧制过程中发生单鼓变形是造成边部黑线裂纹形成的主要原因, 控制合理的轧机压下量是最有效的技术措施。
关键词：边部黑线裂纹,轧机压下量,钢板
参考文献
[1]王晓南, 邸洪双, 等.热连轧粗轧调宽轧制过程边角部金属流动三维数值模拟[J].物理学报, 2009, 58 (专刊) :84-87.
裂纹钢板 篇2
在高温恒载的条件下, 蠕变裂纹的长度增长量与时间的关系曲线, 如图1所示。曲线的2和3表明了, 裂纹扩展的发生在未被观察到之前, 是有一个孕育的时期, 在这个时期内, 裂纹基本上是不扩展的, 或是有稍微的扩展。随着时间的推移, 裂纹就会不断地扩展, 直到裂纹体的断裂。载荷越低的话, 孕育的时间就会越长, 裂纹的扩展速度也会变得缓慢, 如图曲线1所示。相反, 载荷和温度足够高的话, 孕育的时间会很不明显, 如曲线3所示。高温情况下, 有缺陷的构件发生失效的情况, 多数是由蠕变裂纹的扩展而影响的。
高温条件下, 裂纹扩展的行为简单描述, 如图2所示。当蠕变的应变增大时, 裂纹的尖端塑性应变也会变得越来越大, 塑性发生变形, 裂纹就得扩展。
因为是处于高温状态下, 蠕变就变成了主要的因素, 原来在常温状态下的断裂参数K、J、δ就无法成为有效的控制参量, 在这种情况下, 我们引入C参量。C代表的是表征裂纹尖端应力应变率场的能量率积分, 它是在J积分的基础上发展起来的。
2 基层高温裂纹评定过程
2.1 对高温服役状态下的裂纹进行初步的检测
通过无损检测, 对高温服役状态下的裂纹的位置、尺寸和形状等因素予以确定。在此基础上, 弄清楚裂纹所产生的原因是什么。
2.2 对设备的高温施加的历史状态与下一步的操作要求加以明确
通过对复合钢板压力容器的操作记录, 能够知道该容器设备的温度的施加历史和载荷的施加历史。如果所记录的数据不完整的话, 可按照最恶劣工作条件, 给予初始的假设, 这种做法, 有可能得到一个过于保守的数据。如果想知道该设备未来服役寿命的话, 需要充分地考虑未来的工作情况。
2.3 缺陷表征
构件表面的缺陷从表现形式上来说具有一定的特殊性:即外形多为不规则状态。同时, 对缺陷程度的判定多是通过测量缺陷宽度、长度最大值的方式来实现的。针对存在多个缺陷的表征以及干涉效应而言, 在常态温度的基本条件下, 可实施方案是基本一致的。同时, 若对检测所得到的缺陷尺寸有所疑虑的话, 可以通过适当放大缺陷基本尺寸的方式, 对所检测缺陷尺寸的数据及结果准确性进行合理的评定。
针对裂纹所在平面与主应力平面不相重合的情况, 为了能够实现对缺陷表征的合理判定与评估, 作业人员可采取的实施方案在于:将构件表面缺陷设置主应力三个平面当中, 在各个平面中完成对所投影缺陷强度因子、以及参考应力指标的测定工作。实践工作经验证实:在三个平面当中, 所测定评估得到的应力强度因子参数、以及参考应力参数会有一个极大值, 其余两项数值是基本一致的。在有关缺陷表征参数的选取工作中, 应当以出现该极大值的平面为对象, 选取该平面当中, 构件表面缺陷投影尺寸来进行表征的评估工作。
2.4 进行缺陷评定
在断裂的评定方面, 可运用常温状态的弹塑性断裂力学的方法和初始的缺陷尺寸;对蠕变破断寿命予以确定, 可采用初始裂纹尺寸;对裂纹的扩展速率进行确定, 估算出运行期间的裂纹扩展量是多少;对作用于裂纹顶端的稳定蠕变条件进行核对, 一旦不符合要求, 需对估计的裂纹扩展速率进行修正;确定每一个阶段结束时的裂纹尺寸是多少;对于快速断裂的评定, 可采用常温状态的弹塑性方法和每个阶段结束时的裂纹尺寸予以评定;若裂纹的扩展量在合理的使用期间内, 通常不会快速的断裂, 所以不需对其修复;若无法满足对应快速断裂的寿命裕度的话, 需明白何时能保证足够的安全裕度和什么时间需要进行修理。
3 评定蠕变的裂纹
在一定的工作条件下, 把复合钢板压力容器的已服役时间和还需服役时间进行时间段的划分, 并在每一个时间段内, 设备的工作条件维持在稳定的状态下。通过对设备的运行加以记录, 来划分出构件的已服役时间。首先, 对一个时间步长予以假定, 计算出蠕变裂纹在这个时间步长下扩展量是多少。然后对裂纹扩展以后的尺寸有无收敛进行验证, 如果没有收敛的话, 对时间步长的长短重新进行设定。分析复合钢板压力容器应力, 这里所说的应力特指在无缺陷情况下, 容器结构中相应的缺陷位置附近的应力, 对于因缺陷产生的应力集中效应不予考虑。依照PD7910中的规定来对应力进行分类, 所有的内压与外载荷所引发的应力均可归结为是一次应力 (P) , 这和ASME规范中的应力分类规定不同。
4 复层高温评定
复合钢板压力容器的复层焊接上, 其蠕变裂纹对容器的抗蚀性能的影响是需重点考虑的。对复层的蠕变裂纹的安全状况加以评定时, 通常要按照制造当时无损检测的要求来予以评定。通过评定, 我们可判断出, 复层是否能够安全、可靠地使用至下个检验周期。但容器的复层一出现裂纹就要进行修复的话, 倒也没那个必要。我们可以依据“合则使用”的原则, 综合性地对容器的使用情况加以评定, 进而科学地分析, 确定容器的安全状况。
5 结束语
本文主要针对复合钢板压力容器焊缝高温裂纹的评定问题进行了深入的分析与说明, 指出了在高温荷载状态下, 对蠕变裂纹损伤的评定方法, 论证了对高温裂纹进行合理评定在确保复合钢板压力容器安全、可靠实用中的重要意义与价值。
参考文献
[1]潘家祯, 压力容器材料实用手册-碳钢及合金钢[M].北京:化学工业出版社, 2000
[2]李煜, 复合钢板压力容器焊缝高温蠕变研究, 硕士学位论文[J].太原理工大学, 2010
裂纹钢板 篇3
关键词：FRP,裂纹钢板,应力强度因子,有限元
1 概述
钢结构在反复荷载作用下，内部的初始缺陷不断发展形成裂纹，裂纹逐渐扩展导致结构最终失效。为了延长结构的使用寿命以及确保结构安全服役，就需要对损伤钢结构进行加固。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)拥有比强度高、耐腐蚀性好以及抗疲劳性能出色等显著优点，在混凝土结构加固中的成功应用为其向钢结构领域的拓展提供了参考和借鉴。同时，FRP粘结加固传力均匀，不会带来新的疲劳敏感源，因此，FRP应用于钢结构的疲劳加固具有特别的优势[1]。
在实际工程中，由于施工等因素的限制，单面粘贴加固相比于双面粘贴更加普遍[2]。本文采用通用有限元ANSYS建立有限元模型，对单面粘贴FRP加固后的带裂纹钢板进行了线弹性断裂力学分析，研究了应力强度因子的变化，并对影响应力强度因子的参数进行了讨论。
2 有限元模型的建立
在有限元模型中，钢板、胶层以及FRP板都采用Shell单元模拟，其中裂纹尖端前缘采用的是Shell93单元，其他采用Shell63单元进行模拟。建模过程中，最重要的是裂纹前缘的模拟，由线弹性断裂力学可知，裂纹前缘尖端的应力具有奇异性，即当裂纹前缘的距离r趋向于0时，应力分量会趋向于无穷大。目前对于裂纹前缘的模拟主要有两种方法:一种是将裂纹前缘尖端处的网格划分的非常细小，但这样势必造成计算量的增加;另一种方法是采用中节点位于距裂纹尖端1/4长度的二次等参元来处理，这样的单元称为奇异单元。在ANSYS中可以采用8节点的Shell93单元，将8节点等参元的中间节点移至单元相应边长的1/4处，来形成奇异单元(如图1所示)。
在钢板—胶层界面和胶层—FRP界面之间建立约束方程，以保证钢板、胶层和FRP各部分之间的变形协调。在钢板裂纹前缘区域，由于几何形状不连续以及材料的突变，会产生严重的应力集中，因此该区域会出现局部脱胶，即局部的胶层破坏或粘结失效，导致FRP与钢板分离。
根据文献[3]的研究结果显示，局部脱胶对应力强度因子的影响很小，因此为了建模方便，本文没有考虑界面的局部脱胶的影响。考虑到模型的对称性，仅取1/4模型进行分析，在对称面施加对称的边界条件，加载和求解完成后，利用ANSYS的后处理命令可以进行Ⅰ型裂纹应力强度因子的直接求解，由于建模时Shell单元模拟的是钢板中面，因此求解得到的是钢板中面的应力强度因子。
分析的有限元模型如图2所示。
3 应力强度因子分析
由于是单向拉伸，因此只对裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子进行了分析，分析采用的材料和几何参数见表1，其中假定钢板和胶层为各项同性材料，而假定FRP为各项异性材料。为了满足线弹性要求，在钢板两端施加的均布荷载为100 MPa。
3.1 裂纹长度的影响
未加固钢板和单面粘贴FRP加固钢板的应力强度因子如图3所示。
由图3可以看出，无论是加固钢板还是未加固钢板，随着裂纹长度的增加，应力强度因子都逐渐增大;而在相同的裂纹长度下，粘贴FRP加固后，裂纹尖端的应力强度因子显著降低，钢板中面的应力强度因子降低了24.4%～27.3%，这主要是由于采用FRP加固后，钢板上所承受的一部分外力通过胶层传递给了FRP，而且可以发现随着裂纹长度的增加，降低效果越明显。
3.2 FRP刚度的影响
FRP刚度与弹性模量和厚度有关，增加弹性模量或厚度都会使FRP刚度增加。当裂纹长度为20 mm时，应力强度因子随FRP弹性模量和厚度的变化见图4，图5。由图4，图5可知，随着FRP弹性模量或厚度的增加，应力强度因子明显降低。因此提高FRP的刚度(弹性模量或厚度)可以有效地降低裂纹尖端的应力强度因子。
4 结语
本文通过有限元分析，研究了FRP单面粘贴加固钢板裂纹尖端的应力强度因子变化，得出以下主要结论:
1)无论是加固钢板还是未加固钢板，随着裂纹长度的增加，裂纹尖端的应力强度因子都逐渐增大。
2)相比于未加固钢板，采用FRP加固后，钢板的应力强度因子显著降低。
3)增加FRP的刚度(弹性模量和厚度)可以降低应力强度因子的大小。
参考文献
[1]岳清瑞,张宁,彭福明,等.碳纤维增强复合材料(CFRP)加固修复钢结构性能研究与工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[2]W.Y.Lee,J.J.Lee.Successive 3D FE analysis technique forcharacterization of fatigue crack growth behavior in composite-repaired aluminum plate[J].Composite Structures,2004,66(1-4):213-250.
[3]彭福明,岳清瑞,杨勇新,等.FRP加固金属裂纹板的断裂力学分析[J].力学与实践,2006,28(3):34-39.
裂纹钢板 篇4
关键词：20g钢板,焊接接头,微裂缝
1 概述
20g钢板是锅炉制造广泛采用的材料, 其焊接工艺也早已为大家所熟悉。近年来, 在锅炉制造行业中生产的工业锅炉筒及共它产品中曾多次发现焊接试板冷弯开裂。单就某厂统计分析数据表明, 目前为止先后共出现9批次, 108付试板在冷弯试验的面, 背弯时均出现过裂纹, 致使其所代表的多台产品不能按期出厂。由此, 不难看出不合格率所占比例是相当高的。同时也可以看出冷弯开裂主要是产生于埋弧自动焊接部分。为弄清焊接试板产生开裂原因, 我们取样对化学成分、金相组织等做了很多分析工作, 并进行电镜观察。还做了大量焊接工艺试验。通过实验弄清了导致试板冷弯产生裂纹的原因是在熔合线附近有显微裂纹存在, 并且还查清这种裂纹的产生主要和焊接线能量有关, 其次母材钢板的纯净程度对产生裂纹也有一定影响, 并通过一系列焊接工艺试验找出了防止裂纹产生的切实可行的焊接工艺参数, 从而使之用于生产。锅炉锅筒材质为20g, 板厚以14毫米和16毫米为主。钢板主要是由鞍钢和太钢供货。锅筒纵缝隙采用埋弧自动焊接, 不开坡口, 单面焊后, 反面经电弧气刨清根开坡口再焊接。焊丝采用H08Mna, 焊剂431, 环缝采用内壁手工底焊, 焊条为结507, 外层用埋弧自动焊, 焊接材料同前。
2 母材钢板及焊接试板的检验结果:
2.1 化学成分分析。钢板及焊丝化学成分分析结果见表1。
2.2 焊接接头拉力, 见表2。
2.3 焊接接头硬度:热影响区最高硬度值为HV265。
2.4 全相检验:
将冷弯有裂缝式样折断, 断面上发现母材有不同程度的夹层。金相微观观察, 钢板中非金属夹杂物较多, 主要是硫化物和氧化物。裂缝沿夹杂物分布方向扩展, 且裂缝末端延伸到母材。钢板金相组织为铁素体+珠光体, 晶粒度8级。
3 微裂缝的形成部位
3.1 从冷弯试样可以看出, 裂缝位于冷弯时受拉面的熔合线附
近, 并连粘部分焊缝金属焊缝横截面上裂缝位于熔合线处的焊缝及过热区中。冷弯裂缝是弯曲过程中产生的还是未经弯曲就已存在。这是我们十分关切的事, 于是又对未经弯曲试板进行金相微观观察。其结果在所观察的六块金相试样中, 每块都有显微裂缝存在, 裂缝长在0.1毫米左右, 较长的一条0.45毫米, 是颇为典型的显微裂缝。裂缝沿熔合线分布, 有的在熔合线一侧, 有的在两侧, 严重的两道焊缝的两侧熔合线都有, 且裂缝总是有规律地分布在焊接熔池的凹入区内, 当凹入区偏向钢板表面时裂缝随之偏上, 凹入区偏向钢板中部, 则裂缝也随之偏下。裂缝距焊缝表面2至4毫米。意外观看, 似乎是焊缝开裂, 实际上是熔合线处开裂, 熔合线处的微裂缝经冷弯后沿最短距离穿透焊缝进入表面, 因此可以说:这些裂缝的存在正是导致焊接试板冷弯开裂的裂源。
3.2 微裂缝的微观分析:
我们着重对未经弯曲试样的显微裂缝进行分析研究。这些裂缝起始于过热区的粗晶区位于母材部分的沿原奥氏体晶界分布, 延伸到焊缝金属中的沿柱状铁素体分布。还可以看到裂缝垂直于熔合线, 与母材硫化物夹杂之间有着密切的联系, 甚至夹杂物的形貌、位置及方向仍保持不变。
4 焊接工艺试验
鉴于微裂缝是在未冷弯试验前就已存在, 且是沿晶开裂。距焊缝表面2至4毫米处且规律的分布于焊缝凹入区。这些特征使我们着手从改变焊接工艺规范, 改善热循环以及焊接材料、坡口型式、焊接电源等做了一系列试验来探讨裂缝的形式原因和消除方法等。试验共分四个阶段进行。
第一阶段:主要探讨Á碳弧气刨和坡口型式的Á影响。第二阶段:探讨不Á同焊接工艺参数的影响Á及不同母材不同含硫量Á的影响。第三阶段:选用Á直流电源进行试验。第四
阶段:重复试验。
综合实验结果, 我们认为碳弧气刨和坡口型式的影响不大, 主要影响因素在于焊接工艺参数Á
Á
即焊接线能量, 是影响产生微裂缝的主要原因。因此, 可以改变焊接工艺参数来解决这一问题。在焊接过程中, 电弧产生的热量及这些热量在基本金属、焊剂、焊丝中的分配情况, 对于焊缝的形状尺寸有重要的影响, 焊接工艺参数 (焊接电流、焊接电压和焊接速度) 的大小决定了电弧在单位长度焊缝上产生的热量。焊缝形状主要是由焊接工艺参数决定的。想要获得最佳的焊缝形状系数, 从焊缝金属冷却过程的结晶来看, 希望形状系数大一些 (即焊缝宽度与熔深的比值大) 为好, 也就是在焊接速度一定时, 减少焊接电流来降低熔深和适当增加焊接电压来增大焊缝宽度及减少焊缝热影响区的宽度。
从第二阶段试验结果可知, 为了减少焊接线能量采用覫3.0毫米焊丝。由于焊接工艺参数的改变, 在电弧电压相同, 焊接电流减小的情况下, 虽然两种母材化学成分有区别, 但由于焊缝形状有明显改变, 其裂纹率是有明显改变的。有关资料介绍, 未混合熔化区的存在与否与一系列工艺因素有关。当母材导热性能好, 大厚度母材热涵大或者焊接线能量小, 母材金属高温过热倾向低等未混合熔化区会减到很小。加快冷却速度减小热影响区宽度, 可以控制基本金属中有害杂质的析出、溶解、聚合和再分布以及晶粒长大, 晶界熔化, 晶间强度和塑性降低等不利影响, 特别是硫化物有害作用的影响。
5 微裂缝的性质即形成机理探讨
从以上焊接工艺试验及金相分析结果可以清楚地看出, 20g钢板埋弧自动焊接接头熔合线出现的微裂缝属于高温裂缝, 但它不属于传统观点认为的低碳钢焊缝产生的结晶裂缝而是一种由于母材金属被重热熔化, 又在一定的收缩应力作用下沿奥氏体晶界产生的裂缝称之为“液化裂缝”。液化裂缝是由于在焊接热循环的快速加热与冷却条件下, 当局部母材金属接近熔点的高温下塑性很低成为脆弱环节。对于低碳钢凝固后冷却和加热至固相线温度附近后冷却过程有相同的热塑性曲线。1460℃峰值温度至1360℃塑性将为零。这样低的塑性, 加上焊接时陡变的温度梯度快速的热应变为奥氏体晶间金属发生开裂提供了条件。
除工艺因素对产生微裂缝有着直接的影响以外, 冶金因素的影响也起着总要的作用。从钢材的纯净度看, 硫化物对熔合线所起的有害作用特别突出。硫和磷其中一种元素含量超过0.03%时都可以引起裂缝由于这些元素所组成的低熔点夹杂物富集到未融合熔化区中的一次结晶晶界上, 处于熔化状态的晶间液膜在应力作用下, 过热的晶界区的夹杂物处产生空腔。总之, 液化裂缝与非金属夹杂物的重热熔化有直接关系。焊接时加热温度越高, 晶间低熔相熔化的也就愈充分, 沿晶界开裂的可能性愈大。我们从 (下转311页) (上接6页) 焊接试验中也得到了这样的启示, 母材金属中含硫磷或碳偏高时, 微裂缝产生的几率也愈高, 可见微裂缝出现的熔合线处焊缝凹入区正是综合了上述的不利因素的结果。
6 结论
6.1 20g钢板埋弧自动焊焊缝未混合熔化区产生的裂缝是高温
沿晶间性质的液化裂缝, 它规律地分布在距焊缝表面2至4毫米焊缝凹入区。
6.2 通过大量焊接工艺试验, 我们认为:
采用H08Mn A (?3.0) 多层焊交流或直流电源都能获得满意的接头弯曲性能。直流电源在焊接过程中电流、电压稳定, 在有条件情况下选用直流电源比较好。但在实际生产中由于设备普遍是交流电源, 因此可采用交流电源。选用中性熔炼焊剂和酸性熔炼焊剂都能得到同样的效果, 考虑经济性, 可选用酸性熔炼焊剂。对于开坡口和不开坡口的接头都能达到预期效果。但考虑生产周期, 尽量减少加工工序和时间, 节省材料, 可采用不开坡口型式。
6.3 母材钢板中含硫、磷、碳等杂质元素对造成液化裂缝有着重要的不利影响。